一種星載表貼芯片的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

摘 要：星載電子設(shè)備大功率表貼芯片的特點是熱沉面一般在其頂部，四周通過上百個管腳焊接在印制板上。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是在芯片頂部扣壓非彈性的金屬板將熱量通過傳導(dǎo)帶走。但是金屬板和芯片之間的正壓力不易控制，壓力小則熱阻大，無法滿足散熱要求，而壓力大則容易使芯片管腳在衛(wèi)星發(fā)射時斷裂。給出一種“彈簧帽”散熱結(jié)構(gòu)，使用Flotherm軟件對其進行了優(yōu)化設(shè)計。分析結(jié)果與實際應(yīng)用結(jié)果表明“彈簧帽”散熱結(jié)構(gòu)完全達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：星載電子設(shè)備；“彈簧帽”結(jié)構(gòu)；表面貼裝技術(shù)；熱分析

中圖分類號：TN803;TP302 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)2201503

Heatspreader Structure Design and Optimization of the Spaceborne SMT Chips

ZHU Jinbiao

(Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100190，China)

Abstract：Characteristics of SMT chips of high power are that the heat-sink plane of them is on the top and there are hundreds of pins welded on the PCB.As a rule，the method of taking off the heat of the chips is to press an un-spring metal plane on the chips.The disadvantage of this method is the positive pressure brought to chips can not be concroled，that is to say，little pressure on chips will get more thermal resistence so that the method does not well in spreader heat，on the other hand，more pressure will get pins of chips breaks while satellite being launched.This paper designs a sping-cap-structure，analyzes and optimizes these structures using flotherm software，which comes to a useful conclusion that the sping-cap-structure meets the requirement of designs.The sping-cap-structure has been used in the satellite.

Keywords：spaceborne electronic equipment;sping-cap-structure;SMT;thermal analysis

1 引 言

為了滿足星載電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計要求，使芯片結(jié)溫控制在一定溫度范圍內(nèi)［1］，降低設(shè)備的失效概率，必須針對大功率芯片進行熱設(shè)計［2，3］。而大功率表貼芯片的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是星載電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計的難點。

常見的熱沉面在頂面的芯片的散熱方法是采用一整塊金屬導(dǎo)熱板［4］扣壓在需要散熱的大功率芯片的表面，熱量通過金屬導(dǎo)熱板傳導(dǎo)給機箱，或者使用一小塊帽子形狀的金屬導(dǎo)熱板扣壓在芯片頂部和冷板［4］上，熱量先通過帽子形金屬導(dǎo)熱板傳導(dǎo)給冷板，然后再傳導(dǎo)給機箱。這兩種散熱方案都存在可靠性低的問題：一是芯片頂部受到的正壓力難以控制，受壓力過大，芯片的焊點容易在衛(wèi)星發(fā)射時的劇烈振動和沖擊力下遭到破壞；壓力過小，芯片的熱沉面與散熱結(jié)構(gòu)接觸面就減小，增大了熱阻，無法滿足芯片散熱的要求；二是由于芯片和金屬導(dǎo)熱板之間的熱膨脹系數(shù)不同，受熱變形后容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

本文設(shè)計一種彈性的彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)，可以很好地解決這一問題。

2 常用星載表貼芯片的特點

星載電子設(shè)備常用表貼芯片的封裝形式［5，6］主要有QFP塑料方型扁平式封裝、PFP塑料扁平組件式封裝、BGA球柵陣列封裝、PLCC封裝、SOP小外形封裝等，如圖1所示。

其中，QFP，PFP，PLCC，SOP等封裝形式的芯片在電裝時不需在PCB板上制作焊盤孔，而是在PCB板表面對應(yīng)芯片管腳位置上設(shè)置焊盤，采用SMT表面貼裝技術(shù)實現(xiàn)與PCB板的焊接。由于器件底面與PCB的留有間隙（約0.2 mm），所以器件的受力都作用到了管腳和焊盤上。

3 “彈簧帽”散熱結(jié)構(gòu)

基于上述表面貼裝芯片的特點，設(shè)計”彈簧帽”式散熱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2所示1為散熱板；2為彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)；3為芯片；4為PCB板；5為導(dǎo)熱絕緣膠或片。散熱方案是：在芯片周圍鋪設(shè)散熱板，采用帽子形具有彈性的簧片扣壓在芯片熱沉面上，然后用螺釘將彈簧帽的邊沿安裝到散熱板與PCB組件上。熱量通過彈簧帽傳導(dǎo)給散熱板，再傳導(dǎo)到機箱、衛(wèi)星熱控系統(tǒng)。

圖1 各種表面貼裝芯片

圖2 “彈簧帽”式散熱結(jié)構(gòu)

彈簧帽材料選用彈性和導(dǎo)熱性能均較好的鈹青銅合金（牌號為QBe2，QBe1.7，1.9或者QBe1.9-0.1）、錫青銅合金（牌號為QSn4-3或者QSn6.5-0.1）或鋁青銅合金（牌號為QAL5或者QAL7）。為增加彈簧帽與芯片熱沉面之間接觸面積，減小熱阻，在它們之間增加導(dǎo)熱系數(shù)高、絕緣性能好的導(dǎo)熱膠或片，這種導(dǎo)熱絕緣膠的厚度控制在0.13～0.25 mm，熱阻為0.3～0.6，絕緣度為3 000～6 000 VA，能夠在溫度-40~120 ℃之間正常工作。

4 散熱帽結(jié)構(gòu)的熱仿真分析

使用Flotherm軟件對彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)進行熱仿真分析，建立如圖3所示幾何模型。

給定芯片功耗為400 mW，左右散熱板邊條的溫度恒定為45 ℃，PCB板材料從Flotherm軟件材料庫里選取為FR4。在芯片內(nèi)部設(shè)定一個監(jiān)測點，并設(shè)定兩種工作狀態(tài)：一種帶有彈簧帽結(jié)構(gòu)，另外一種去掉彈簧帽結(jié)構(gòu)，得到監(jiān)測點的穩(wěn)態(tài)溫度變化曲線，如圖4所示。

圖3 彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)幾何模型

圖4 監(jiān)測點的穩(wěn)態(tài)溫度變化曲線

圖4中縱坐標表示監(jiān)測點的溫度，橫坐標表示穩(wěn)態(tài)解算過程。0～6區(qū)間為采用彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)時的監(jiān)測點溫度變化曲線，最高溫度為50.2 ℃，6～16區(qū)間為去掉彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)時的監(jiān)測點溫度變化曲線，最高溫度為63.5 ℃。圖4說明彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)可以明顯降低芯片的溫升。

5 散熱帽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

熱傳導(dǎo)基本規(guī)律——傅里葉定律［7］的數(shù)學(xué)表達式為：

φ=－λAdTdx（1）

式（1）中：φ為熱流量，單位為W；A為垂直于溫度梯度矢量的面積；λ為材料的熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W·m－1·K－1。

從式（1）可以看出，熱流量與垂直于溫度梯度矢量方向的導(dǎo)熱面積成正比，而彈簧帽結(jié)構(gòu)的壁厚是影響導(dǎo)熱面積和重量的重要參量。保持散熱板截面積、彈簧帽結(jié)構(gòu)與散熱板之間的接觸面積不變，對不同壁厚條件下的彈簧帽結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)態(tài)分析，得到如圖5所示的溫度曲線。

圖5所示為彈簧帽壁厚度分別為0.1 mm，0.2 mm，0.4 mm，0.8 mm和1.6 mm五種情況下的穩(wěn)態(tài)溫度對比圖，這些厚度分別對應(yīng)的區(qū)間是0~7，7~12，12~17，17~23，23~40。

從圖5中監(jiān)測點溫度的變化情況可知，厚度在0.1～1.6 mm范圍內(nèi)的彈簧帽散熱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度相差不大。在厚度0.1～0.2 mm范圍內(nèi)，隨著厚度的增加，監(jiān)測點穩(wěn)態(tài)溫度升高，在厚度0.2～1.6 mm范圍內(nèi)，隨著厚度的增加，監(jiān)測點穩(wěn)態(tài)溫度降低。

彈簧帽的壁厚尺寸越大，相同的變形產(chǎn)生的彈性力就越大；同一壁厚尺寸的彈簧帽結(jié)構(gòu)，施加的變形力越大，芯片與彈簧帽的接觸面積就越大，熱阻越小，導(dǎo)熱性越好。由于衛(wèi)星發(fā)射時的沖擊震動易造成芯片管腳的斷裂，所以需要盡量減小彈簧帽施加給芯片的正壓力。

綜合以上分析，可以選用厚度在0.1～0.2 mm的彈簧帽結(jié)構(gòu)進行散熱，其彈性、散熱效果達到最佳。

圖5 彈簧帽不同壁厚情況下的穩(wěn)態(tài)溫度曲線

6 結(jié) 語

本文給出了一種星載電子設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，即彈簧帽結(jié)構(gòu)，適合用于熱沉面在頂面且不能承受較大正壓力的芯片進行熱傳導(dǎo)散熱。

通過分析對比該散熱結(jié)構(gòu)使用前后的穩(wěn)態(tài)溫度，說明了彈簧帽結(jié)構(gòu)具有良好的散熱效果；通過分析對比不同壁厚散熱帽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度，給出既能保證散熱效果又能控制彈性力的彈簧帽壁厚范圍為1～1.5 mm。

目前，該散熱結(jié)構(gòu)方案已在衛(wèi)星電子設(shè)備中得到實際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。

參考文獻

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作者簡介 朱金彪 男，1977年出生，工程師。主要從事雷達機電結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文